工程地質(zhì)學(xué)-第四章 土的力學(xué)性質(zhì)

第四章土的力學(xué)性質(zhì)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院工程地質(zhì)學(xué)EngneeringGeology2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪2土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院3土的力學(xué)性質(zhì)是指土在外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，主要包括土的壓縮性、抗剪性，其次為在動(dòng)荷載作用下所表現(xiàn)的一些性質(zhì)。土的力學(xué)性質(zhì)說(shuō)明了土抵抗外力變形和破壞的能力。土的力學(xué)性質(zhì)主要取決于土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)，還與受力條件有關(guān)。當(dāng)土體作為建筑物地基時(shí)，在荷重作用下就會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，從而引起建筑物基礎(chǔ)的沉降，當(dāng)沉降量過(guò)大或產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，可能影響建筑物的正常使用，甚至引起建筑物開(kāi)裂或倒塌。第四章土的力學(xué)性質(zhì)當(dāng)土中剪應(yīng)力超過(guò)土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，則土中一部分會(huì)相對(duì)另一部分發(fā)生滑動(dòng)，從而危及建筑物安全。土的力學(xué)性質(zhì)對(duì)建筑物的安全、經(jīng)濟(jì)、正常使用影響最大。并且土的物理性質(zhì)對(duì)建筑物的影響，是通過(guò)力學(xué)性質(zhì)的變化反映出來(lái)的。在土的力學(xué)性質(zhì)中，最主要和最有實(shí)際意義的是土的壓縮性和抗剪性。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪42024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院5第一節(jié)土的壓縮性一、土壓縮變形的特點(diǎn)與機(jī)理土的壓縮性是指土在壓力作用下發(fā)生壓縮變形，體積縮小的性能。土體的壓縮變形實(shí)際上是孔隙壓縮、孔隙比變小所造成的。工程實(shí)踐證明，在一般建筑物荷重作用下，土粒和水的壓縮量極小，不及土體壓縮量的1/400，通常認(rèn)為是不可壓縮的，氣體的壓縮較強(qiáng)。在自然界中土處于開(kāi)放系統(tǒng)，空隙中的水和氣體在壓力作用下不可能被壓縮，而是被擠出。所以土的壓縮變形主要是由于空隙中的水分和氣體被擠出，土的顆粒相互移動(dòng)靠攏，空隙體積減少而引起的。開(kāi)始時(shí)變形速度較大，隨后隨顆粒間接觸點(diǎn)的增加，變形逐漸減弱。對(duì)飽和土而言，空隙全被水充滿，土的壓縮主要是由孔隙中的水被擠出、空隙體積縮小所致，壓縮過(guò)程同排水過(guò)程一致。壓縮結(jié)果使土密度增高，含水率降低。非飽水土的壓縮，首先是氣體外逸，隨時(shí)間的延續(xù)，土的飽和度逐漸增大，當(dāng)氣體全部排出土達(dá)到飽和狀態(tài)后，其壓縮過(guò)程與飽和土相同?？紫端懦觯恋膲嚎s隨時(shí)間而增長(zhǎng)的過(guò)程，稱為土的固結(jié)。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪6二、壓縮試驗(yàn)與壓縮定律土的壓縮試驗(yàn)是取土樣放入壓縮儀內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，壓縮儀的構(gòu)造如下圖。由于土樣受到環(huán)刀和護(hù)環(huán)等剛性護(hù)壁的約束。在壓縮過(guò)程中只能發(fā)生豎向壓縮，不可能發(fā)生側(cè)向膨脹，故又叫側(cè)限壓縮試驗(yàn)。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪72024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院8側(cè)限壓縮試驗(yàn)（一）壓縮試驗(yàn)2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪9施加荷載，靜置至變形穩(wěn)定逐級(jí)加大荷載百分表加壓上蓋試樣透水石護(hù)環(huán)環(huán)刀壓縮容器

側(cè)限壓縮試驗(yàn)P1s1e1e0ptest

測(cè)定：

軸向壓縮應(yīng)力

軸向壓縮變形P2s2e2P3s3e32024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院10通過(guò)試驗(yàn)，求得在各級(jí)壓力Pi作用下，土樣壓縮穩(wěn)定之后相應(yīng)的空隙比ei，根據(jù)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可繪制出e~P關(guān)系曲線，稱壓縮曲線。如圖。壓縮曲線是室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)的成果，它是土的孔隙比e與所受壓力P的關(guān)系曲線。土的壓縮曲線的形狀是先陡后緩，開(kāi)始加壓時(shí)，首先是接觸不穩(wěn)定的土粒發(fā)生位移，空隙體積減少得很快，故曲線的斜率較大；隨壓力的增大，主要是空隙中水和氣體的擠出，且空隙的體積也逐漸變?。划?dāng)水和氣體不再擠出時(shí)，土的壓縮逐漸停止，曲線也逐漸趨于平緩。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪112024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院12壓縮性曲線的形狀與土樣的成分、結(jié)構(gòu)狀態(tài)及受力歷史等有關(guān)。壓縮性不同的土，其e-p曲線的形狀不同。曲線愈陡，說(shuō)明壓力增加時(shí)孔隙比減小得多，土易變形，壓縮性愈高；若曲線平緩，則土的壓縮性低。故壓縮曲線的形狀可大致說(shuō)明土的壓縮性的高低。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院13壓縮定律（壓密定律）：在壓力范圍不大時(shí)，孔隙比的減小值與壓力的增加值成正比。（二）壓縮定律1.壓縮系數(shù)2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院142024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院152、壓縮模量壓縮模量指土在側(cè)限壓縮條件下豎向附加壓應(yīng)力與應(yīng)變?cè)隽恐?，單位為MPa。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院16三、變形模量變形模量指土在無(wú)側(cè)限條件下附加壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)變之比。單位為MPa。載荷試驗(yàn)：在保持地基土天然應(yīng)力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，模擬建筑物荷載條件，通過(guò)一定面積的承壓板向地基施加垂直荷載，研究地基土變形和強(qiáng)度規(guī)律的一種原位試驗(yàn)。

2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院17壓縮模量指土在側(cè)限壓縮條件下豎向附加壓應(yīng)力與應(yīng)變?cè)隽恐?。變形模量指土在無(wú)側(cè)限條件下附加壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)變之比。變形模量與壓縮模量的關(guān)系2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院18四、土的前期固結(jié)壓力固結(jié)是指土體在建筑物荷重或自重壓力及其它應(yīng)力作用下，其變形隨時(shí)間發(fā)展至完全穩(wěn)定的全過(guò)程。因此固結(jié)是時(shí)間的函數(shù)。前期固結(jié)壓力(pc)是指土層在過(guò)去歷史上曾經(jīng)受過(guò)的最大固結(jié)壓力。土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期所謂自然地質(zhì)作用，形成了目前上覆土層的情況。如目前土層所受的上覆土層的自重壓力為，并將pc與p0比值稱超固結(jié)比，用OCR表示，即可把土層分為三種不同的固結(jié)狀態(tài)：1.，即OCR=1，稱正常固結(jié)土，是指目前土層的自重壓力就是該地層在歷史上所受過(guò)的最大固結(jié)壓力。即土層的固結(jié)一直隨土層的自然沉積物相應(yīng)發(fā)生，在固結(jié)固結(jié)過(guò)程中沒(méi)有受到過(guò)侵蝕或其它卸荷作用，對(duì)一般正常沉積且在自重壓力下完全固結(jié)的土層，均處于正常壓密狀態(tài)。2.，即OCR>1，稱超固結(jié)土，是指土層歷史上曾受過(guò)的固結(jié)壓力大于現(xiàn)有的自重壓力，即土層在歷史上曾有過(guò)相當(dāng)厚的沉積物，后來(lái)由于侵蝕、沖刷等卸荷作用，或由于古老建筑的拆毀，使土層原有的密度超過(guò)現(xiàn)有的與自重壓力相對(duì)應(yīng)的密度，而形成超壓密狀態(tài)。3.

,即OCR<1，稱欠固結(jié)土，即土層在自重壓力下尚未完成固結(jié)。新近沉積的土層，如淤泥、沖積土等處于欠壓密狀態(tài)。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪192024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院20根據(jù)前期固結(jié)壓力劃分三類沉積土層OCR=1正常固結(jié)土OCR>1超固結(jié)土OCR<1欠固結(jié)土2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院21五、前期固結(jié)壓力的確定ep(log)CD在e-logp曲線上，找出曲率最大點(diǎn)m作水平線m1作m點(diǎn)切線m2作m1,m2的角分線m3m3與試驗(yàn)曲線的直線段交于點(diǎn)BB點(diǎn)對(duì)應(yīng)于先期固結(jié)壓力pcmrmin123

pCasagrande法AB第二節(jié)土的抗剪性一、土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度（或能力）。其數(shù)值等于剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。土體破壞時(shí)的應(yīng)力組合關(guān)系稱為破壞準(zhǔn)則。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院23二、土的抗剪強(qiáng)度機(jī)理1、摩擦強(qiáng)度（摩擦力）包括滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦滑動(dòng)摩擦由顆粒間接觸面粗糙不平所引起。咬合摩擦是指相鄰顆粒對(duì)于相對(duì)移動(dòng)的約束作用。摩擦強(qiáng)度的影響因素有：顆粒形狀、礦物成分、

粒徑級(jí)配、密度等。2、粘聚強(qiáng)度（粘聚力）取決于土粒間的各種膠結(jié)作用和靜電引力。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院24直剪試驗(yàn)：土的室內(nèi)剪切試驗(yàn)分為直接剪切和三軸剪切試驗(yàn)兩類。最常用的是直剪實(shí)驗(yàn)方法，是將土樣放在上、下兩部分可以錯(cuò)動(dòng)的金屬盒內(nèi)，將上盒固定，下盒可沿可沿水平方向滑動(dòng)（見(jiàn)圖）。

二、土的直剪試驗(yàn)與庫(kù)倫定律2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院25粗粒土（砂土）:τf=σtg

細(xì)粒土（粘性土）:τf=c+σtg

式中：τf為土的抗剪強(qiáng)度，MPa;σ為剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；c和φ為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(抗剪強(qiáng)度參數(shù))c-土的粘聚力，MPa；

-土的內(nèi)摩擦角;tg

為土的內(nèi)摩擦系數(shù)上述方程是法國(guó)學(xué)者庫(kù)倫(Coulomb)1773年提出的，一般稱庫(kù)侖公式，它反映了土的抗剪性的基本規(guī)律，所以又稱庫(kù)侖定律。庫(kù)倫定律三、土的三軸試驗(yàn)該方法首先是將用橡皮膜包裹著的圓柱形試樣置于密閉容器中（圖），通過(guò)液體加壓，使試樣在三個(gè)軸受到相同的圍壓，然后通過(guò)活塞桿在試樣頂面上加壓，試樣中產(chǎn)生剪應(yīng)力，隨著垂直壓應(yīng)力的的增大，剪應(yīng)力隨著增大，之至土樣被剪壞。2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪262024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院272024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院28

3

3

3

3

3

1=3+1

1=3+1三軸試驗(yàn)原理2024/1/2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院29第三節(jié)土的壓實(shí)性土的壓實(shí)是指土體在壓實(shí)能量作用下，土顆?？朔ｉg阻力，產(chǎn)生位移，使土中孔隙減小，密度增加，強(qiáng)度增高，變形減少，透水性降低。一、細(xì)粒土的壓實(shí)性最優(yōu)含水量：在擊實(shí)曲線中，峰值干密度對(duì)應(yīng)的含水量。最大干密度:在擊實(shí)曲線上的干密度的峰值。1